本篇在講什麼:
ABC紙張比例的由來,黃金比例與費氏數列的性質。希望以圖像化的方式,讓讀者具體的了解一些「特殊比例」的性質。

 

前言、為什麼寫這篇文章

小時候常常在想,是否存在一種矩形,將它對折後,長和寬仍然是相同的比例。最早想到這個問題,是在畫圖的時候,因為覺得畫紙太大所以將它折半,但竟然發現,折半後的畫紙長寬比例跟原本的十分相似。這還滿神奇的,我們一般看到的矩形,你將它長邊對折後,長寬比例不會相同,例如2:1的矩形,將長邊對折後變成了1:1的正方形,跟原先的比例不同。我也想過2:3,3:4,但是試來試去都找不出心目中「完美」的那個比例,直至國中二上學了解一元二次式,才終於解出這個神秘的比例。

希望能藉由筆者計算的心路歷程,讓讀者了解A4紙張的比例、黃金比例的意義,並利用圖像的方式讓大家了解費氏數列與黃金比例的關係。


 

一、永遠的一半 A4紙張比例

正如同前言所述,我一直在尋找一種矩形,無論對半多少次,它長寬的比例仍然不變。

讓我們先來想像一下,今天有一個長方形,它的寬,為了方便我們將它設為1,而它的長不知道,我們就稱之為x好了,現在,還未經過對折的這個長方形他的長寬比例就是x:1,那當我們將它對折了,原本的寬,也就是1,就變得比x/2要長,於是1成為長,x/2成為寬,它的長寬比例就變成1:x/2。而由於我們定義這個長方形在對折後長寬比例不變,因此x : 1 = 1 : x/2,經過化簡後就可以得到  x的平方 = 2,這樣答案就出來了,x = 2 ^ 0.5,很抱歉我打不出根號,所以我使用^0.5代替(^為次方符號),0.5次方就是根號的意思。

 

那這個無論切半幾次都一樣的比例到底有什麼作用?看我的標題你或許已經猜到了,我們現今使用的紙張比例A、B、C系列其實都是以1:根號2定義的的,我們以A系列進行舉例,A0就是面積為1平方公尺,長寬比例為1:根號2的紙張,即是841x1189毫米,那A1就是將A0對半切,也就是594x841毫米。

其實我們可以從另一個角度想 根號2 這個數字的特性,一個邊長為1的直角三角形它的斜邊長度就是 根號2 (計算方式見畢氏定理),那我們今天把這個三角形從斜邊的一半切出兩個等大的小三角形,你會發現,這兩個小三角形都會是直角三角形,而且邊長比仍然是1: 1: 根號2,將舊的斜邊一半作為邊長,而原先的邊長則變為新的斜邊,如此的規律不正如我們那不停對半的矩形嗎?


 


二、並不費事的費氏數列

先幫大家複習一下「費氏數列」,我個人認為這很有意思,隨堂考:請找出下方數列的規律

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55

看出來了嗎?這應該很好找吧?每一個數都是前面兩項的總和,舉例8這個數,它就是前面兩項3和5的總和,這就是費氏數列的定義,非常的簡單。這邊先稍稍給大家有個認識就好,如果有興趣的話在自己去查喔!

特別的是,費氏數列可以透過圖像表示,就會看到一個由正方形組成的矩形,而且每一個正方形的邊長都是較小的兩個正方形邊長的總和。


 

三、最美的矩形 黃金比例

不知道大家有沒有聽過「黃金比例」的大名,就是那個1.618的不知道什麼東西,然後好像人的五官是那個比例就會很漂亮。但大家有沒有想過,1.618這個數字是怎麼算出來的?要想計算出黃金比例,我們得先了解它「到底在幹嘛?」。

假設今天有一個矩形,他的寬是1,長是x,而我們將這個這個矩形減去邊長是寬的正方形,可以分成1*1 + 1*(x-1),也就是一個邊長為1的正方形和一個長寬分別為1和x-1的矩形,重點來了,這個被切開後的矩型它的長寬比例會等於原本的矩形!當這個矩形滿足上述特性,我們就稱這個矩形的長寬比例為黃金比例。


 

不知道你有沒有發現,這裡又提到「相同的長寬比例」,所以我們要計算時,可以搬出第一段所提到的算式,再加以修改。我們剛才的算式是 長 : 寬 = 新長 : 新寬,那長是x寬是1,新的長是1寬則是x – 1,把數字填入,即可得到

x : 1 = 1 : (x-1)

接下來就是解方程式了,化簡之後可以得到x2 -x -1 = 0,我想應該不用考慮十字交乘法了,這絕對算不出來,所以我直接就帶一元二次方程解公式(-b + (b2 – 4ac)^0.5)/2a,抱歉寫的有點醜,不過在此我就不解釋這個公式的由來囉!帶入數字後可以得出x = (1 + 5^0.5) / 2,經電腦計算結果為1.6180339,這個數字...沒錯,就是那大名鼎鼎的黃金比例啦!

現在我們來觀察一下前面費氏數列與黃金比例的圖形,你會發現它們兩個都是由大大小小的正方形組成的,而且每個大正方形的邊長都是前面兩個小正方形邊長的總和,欸?這不就是費氏數列的定義嗎?發現了嗎?黃金比例和費氏數列的圖形是一樣的!事實上黃金比例就是費氏數列在計算到極大值後所求出的比值

 

後記:

今天的文章就到這邊囉!這篇文章算是我自己研究數學的心得兼筆記,親筆計算出方程式,親手畫出一張張圖,所帶來的成就感與樂趣是多麼的大,當時在學校裡自己計算,算出這個數字令我興奮的大叫,自己探索數學的奧秘實在是件非常有趣的事,讓我有像是寫程式一般的樂趣。

 

參考資料:

維基百科:紙張尺寸

維基百科:費氏數列

 

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